Россия открывает субангстремную эру технологий процессоров следующего поколения

iDEA технология изготовления процессоров следующего поколения

• Cубангстремная (±0,2 Å) точность для процессоров «на новой физике»
• Технологическая платформа для 1000-кубитных квантовых процессоров
• Результаты опубликованы ведущим издательством Science
• Получен патент РФ, идет международное патентование

Шухов.Нано – нанотехнологический центр кластера Квантум Парк МГТУ им. Н.Э. Баумана, создаваемый совместно с ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», – представляет субангстремную технологию изготовления процессоров следующего поколения (1 ангстрем (Å) = 0,1 нанометра (нм) ≈ диаметр атома).

Российские ученые открыли метод и разработали технологию создания логических элементов вычислителей на новых физических принципах с точностью до ±0,2 ангстрема (1Å = 0,1 нм). Благодаря разработанной iDEA технологии в России смогут серийно изготавливать квантовые процессоры с тысячами кубитов – сверхпроводниковых искусственных атомов – с точно заданными параметрами, что ускорит переход к практически полезным гибридным суперкомпьютерам. Результаты опубликованы в журнале Science Advances, технология защищена патентом РФ, ведется патентование в ведущих странах мира.

Субангстремная точность: зачем к ней стремятся ведущие мировые производители чипов и пост-КМОП процессоров следующего поколения?

Современные процессоры для суперкомпьютерных вычислений, графической обработки и искусственного интеллекта могут содержать десятки и даже сотни миллиардов транзисторов на одном кремниевом чипе. «Сжать» транзистор до размеров атома – рубеж, к которому сегодня стремятся мировые лидеры. Однако, в ангстремную эру КМОП-технологий вступают лишь избранные: в 2025 году Intel представил технологию Intel 18Å (1,8 нм), Samsung готовит техпроцесс SF2 на 12 Å (1,2 нм), а TSMC разрабатывает N2 – на 20 Å (2 нм). Помимо физических размеров транзисторов, а в перечисленных техпроцессах они доходят до 12-14 нм, ключевым параметром является толщина подзатворного диэлектрика – в диапазоне 1,5-2 нм. Лучшие производители научились контролировать ее с точностью до ±0,2 нм (±2 ангстрема).

Дальнейшее уменьшение размеров транзисторов потребует разработки новых физических принципов их работы, и такие исследования ведутся уже более 20 лет. Гибридные компьютеры, объединяющие возможности современных КМОП технологий и сопроцессоров на новых физических принципах (пост-КМОП), могут обеспечить колоссальный рост производительности. Появление таких компьютеров полностью изменит нашу жизнь: от лекарств и транспорта до освоения дальнего космоса.

Сверхпроводниковые квантовые сопроцессоры – лидирующая пост-КМОП платформа и многие ведущие страны (США, Китай, Япония, страны ЕС и др.) реализуют на ней свои гибридные системы обработки информации. Они состоят из искусственных атомов – сверхпроводниковых кубитов, которые изготавливаются на кремниевых чипах, почти как современные КМОП процессоры. Однако в квантовых сопроцессорах требования к точности изготовления кубитов на порядок выше – искусственные атомы должны быть одинаковыми – практически идеальными как в природе, только созданные руками человека.

Именно такую возможность предоставляет российская iDEA технология (от англ. ion beam-induced DEfects Activation – активация дефектов фокусированными ионами), разработанная в Шухов.Нано. Она позволяет формировать элементы кубитов на основе туннельных диэлектриков толщиной 0,8-2 нм с точностью ±0,2 Å (±0,02 нанометра). Такую точность гарантирует принципиально новый физический принцип управления толщиной туннельного диэлектрика кубита. При его облучении ионами генерируются дефекты в кристаллической решетке, которые провоцируют сверхточное изменение толщины выбранного технологом интерфейса «металл-оксид», что критически важно для практического применения квантовых компьютеров.

iDEA отжиг сверхпроводниковых кубитов с субангстремной точностью

Одним из основных препятствий на пути к практически полезным квантовым вычислениям являются ошибки двухкубитных операций, часто вызванные неверно выставленной частотой кубитов. При совпадении частот энергетических уровней кубитов и элементов квантовых схем возникают перекрестные помехи – потери энергии из вычислительной квантовой системы, нежелательный обмен энергией между несколькими кубитами и т.п. По мере роста числа кубитов на чипе вероятность таких перекрестных помех и ошибок увеличивается экспоненциально.

Ранее одинаковые атомы могла создавать только природа — это было за гранью доступных технологий. Мы могли изготовить хоть 100 кубитов на уровне полупроводниковой фабрики, но даже малейший разброс размеров в ±5 нм или толщины туннельного барьера в доли нанометра по чипу приводит к недопустимым ошибкам для некоторых кубитов, — рассказывает Илья Родионов, руководитель кластера Квантум Парк. — Квантовый процессор — это единый механизм, объединяющий десяток топовых технологий, и каждая должна работать, как часы. Сегодня мы представляем критическую метод управления параметрами кубитов. Наше открытие — это путь к практически полезным квантовым вычислениям. Да, он непростой и довольно длинный, но мы ускоряемся!

Частота кубитов задаётся параметрами туннельного диэлектрика джозефсоновских переходов. Любое отклонение толщины диэлектрика – вплоть до атома – существенно изменяет спроектированные частоты кубитов, они «уплывают», разрушая все расчеты разработчиков квантовых процессоров и снижая точность вычислений.

Технология iDEA, разработанная в Шухов.Нано, позволяет контролируемо и с точностью до «доли атома» (±0,2 ангстрема) управлять эффективной толщиной диэлектрического слоя – довести джозефсоновский переход до идеала. Для этого структура облучается одиночными ионами гелия или неона. В процессе обработки ионы инертных газов ювелирно модифицируют кристаллическую решетку материала, доводя толщину диэлектрика до проектной с субангстремной точностью. Процесс полностью автоматизирован и занимает всего одну секунду на кубит.

Сам процесс просчитывается и моделируется заранее — на уровне отдельных молекул, — отмечает Никита Смирнов, ведущий разработчик сверхпроводниковых квантовых процессоров Квантум Парка. — После этого мы «тюнингуем» изготовленные кубиты на нужную частоту, приближая выход годных квантовых схем к 100%. Мы обеспечиваем отклонение от проектной частоты кубита не более ±0,35%, и это позволяет переходить к многокубитным квантовым процессорам и симуляторам.

Молекулярное моделирование облучения ионами и движения отдельных дефектов кристаллической решетки

Разработанная серийная технология позволяет изменять частоту кубитов в диапазоне от 10 до 400 МГц (от 0,2 до 10%) в составе многокубитных квантовых процессоров. Обеспечить разброс частот кубитов в 0,35% (±17МГц) по чипу с локальной обработкой радиусом менее 10 нм сегодня в мире возможно только с применением iDEA подхода. Более того, метод не влияет на когерентные свойства квантовых систем, с его помощью изготовлены самые высококогерентные кубиты-трансмоны в России, «время жизни» которых после iDEA отжига превысило 500 мкс (уровень ведущих мировых компаний). Технология апробирована при создании серии сверхпроводниковых квантовых сопроцессоров и реализации на них квантовых алгоритмов для решения задач материаловедения.

Результаты применения технологии iDEA при обработке кубитных схем квантовых вычислителей

В IBM Quantum посчитали, что для используемой архитектуры текущий уровень их технологии (±14-18 МГц) позволит изготавливать квантовые процессоры с 300 кубитами. С помощью iDEA метода уже сегодня понятно, как превзойти уровень точности ±10 МГц, кроме того, архитектура ВНИИА/МГТУ накладывает менее строгие ограничения на частоты. Это позволит создавать российские квантовые процессоры с 1000 и более кубитов – идеальных искусственных атомов с выходом годных близким к 99%.

Российские технологии процессоров нового поколения

Технология обработки искусственных атомов фокусированным ионным пучком предложена впервые в мире. Конкурирующие разработчики гибридных сопроцессоров используют альтернативные способы, например, лазерный отжиг, электронное облучение или электрическую обработку. Эти методы отличаются на порядки большей площадью воздействия и не дают возможности обработать близкие структуры нанометровых размеров. Выигрыш еще и в производительности: одна секунда на кубит (технология Шухов.Нано) против десятков секунд для технологии лазерного отжига (IBM Quantum) и сотен секунд – для электрической обработки (Rigetti). iDEA точнее, быстрее и не повреждает соседние элементы – критическое преимущество при масштабировании.

Не только в квантах

Технология iDEA может применяться для изготовления других пост-КМОП процессоров, использующих скрытые диэлектрические слои. В их числе транзисторы и мемристоры, магнитные скирмионы – ключевые компоненты вычислителей следующего поколения и систем ИИ. Разработанный метод открывает путь к практическому применению пост-КМОП архитектур, необходимых для преодоления физических и энергетических ограничений классических полупроводниковых процессоров.

Российская разработка оценена научным сообществом: статья с результатами исследований опубликована ведущим издательством Science. Достижение команды МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» выводит российские пост-КМОП технологии на лидерские позиции в мире.

 _________________________________________________________________________________________________________________________________________

ШУХОВ.НАНО – нанотехнологический центр кластера Квантум Парк, создаваемый на базе НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» (НОЦ ФМН) МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова». В чистокомнатных помещениях центра (ISO4 – ISO6) запланирован полный цикл создания устройств обработки информации следующего поколения на основе перспективных технологий сверхпроводниковых и фотонных интегральных схем, ячеек секвенаторов ДНК, МЭМС/МОЭМС/НЭМС и микрофлюидных лабораторий на чипе.

Квантум Парк – кластер квантовых, фотонных и флюидных технологий МГТУ им. Н.Э. Баумана. Новый формат образования мирового класса, построенного на базе полного цикла фундаментальных исследований, прикладных разработок, инновационной цифровой экосистемы и сквозных продуктов, отвечающих на «большие вызовы». Фундамент Квантум парка – это комплекс чистых технологий с инфраструктурой мирового класса, включающий нанотехнологический центр Шухов.Нано, центр прецизионной микроскопии и анализа Шухов.Атом, комплексы изготовления оптических элементов и компонент, ИК-лазеров, высокоточной механики, голографических AR/VR систем, клеточных систем, а также 25 экспериментальных исследовательских и прикладных лабораторий. Общая площадь кластера 13 845 кв.м.

ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» – созданная в 1954 году, одна из ведущих научно-исследовательских и производственных организаций Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом».